CC BY
50
Т о м X
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И
19 7 9
№ 1
УДК 629.735.33.018.4-97.002.23
КРАТКОВРЕМЕННАЯ ПОЛЗУЧЕСТЬ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА ПРИ РАСТЯЖЕНИИ И БЫСТРОМ НАГРЕВАНИИ
Э. Л. Санькович
По результатам кратковременных испытаний образцов из алюминиевого сплава АК4-1-Т1 (лист толщиной 1,95 мм) на растяжение при напряжениях от 3,5 до 16,4 даН/мм2 и скоростях нагревания от 0,5° до 50° С/с получены зависимости условного предела текучести а02 от температуры и скорости нагревания.
Проведены анализ и обобщение полученных экспериментальных данных.
Даны краткие сведения по методике испытаний и статистической обработке экспериментальных данных.
Основные сведения о поведении конструкционных материалов при повы" шенных температурах получены из результатов испытаний образцов на растяжение (реже на сжатие) при постоянных температуре и скорости деформирования (а —в-диаграммы), а также на ползучесть при постоянных температуре и нагрузке (кривые ползучести). Условный предел текучести, т. е. величина напряжения, которое при определенных условиях испытания (температура, скорость деформирования, окружающая среда) вызывает остаточную деформацию образца 0,2%, является основной механической характеристикой конструкционного материала, используемой для расчета несущей способности конструкции.
При расчете ресурса работающей при повышенных температурах конструкции, изготовленной из материала, склонного к ползучести при этих температурах, аналогичную роль играет условный предел ползучести или длительной прочности материала. Однако известно, что для алюминиевых сплавов при температурах выше 130°С условный предел текучести зависит от скорости деформирования образца в испытательной машине [1]. Это указывает на вклад деформации, обусловленной ползучестью материала, в общую остаточную деформацию. Таким образом, использование условного предела текучести в расчетах несущей способности ограничивается условиями нагружения конструкции.
Следует отметить, что для расчета несущей способности и ресурса конструкций, работающих в условиях нестационарного режима нагревания и нагружения, выше упомянутые механические характеристики вообще не пригодны. В этом случае вопрос о несущей способности и ресурсе конструкции решается путем испытания ее в лаборатории в условиях нагревания и нагружения, возможно близких к эксплуатационным.
Одним из возможных видов упрощенных испытаний при нестационарных условиях нагревания, результаты которых могут быть обобщены и использованы для расчета конструкций, работающих в условиях однократного кратковременного нагрева, являются испытания на растяжение (или сжатие) постоянной
нагрузкой при нагревании испытываемого образца с постоянной скоростью увеличения температуры. В результате этих испытаний можно определить значение температуры Т02, при которой остаточная деформация достигает величины 0,2 Величина действующего в образце напряжения может быть принята как условный предел текучести материала при этой температуре и скорости увеличения температуры. Величина суммарной остаточной деформации 0,2% выбрана для удобства сравнения с величиной условного предела текучести при соответствующих температурах, но полученной по общепринятой методике. Выше определенное значение температуры Т02, при которой достигается остаточная деформация 0,2%, может быть принято, как предельно допустимая температура при заданных напряжении и скорости увеличения температуры.
Исходя из размеров поперечного сечения образца и возможностей нагружающей системы установки, были выбраны следующие уровни напряжений: 3,5; 6,6; 9,7; 13,4 и 16,4 даН/мм2, что соответствует приблизительно 0,1; 0,18; 0,25; 0,35 и 0,45 от величины условного предела текучести исследуемого материала АК4-1-Т1 при нормальной температуре, равного 36,6 даН/мм2. При каждом уровне напряжения, за некоторыми исключениями, испытания проводились при следующих скоростях нагревания: 0,5°, 1,6°, 5°, 16°, 50° С/с. Этот ряд скоростей нагревания в логарифмическом масштабе на интервале в два порядка представляет собой систему равноотстоящих точек, что представляет большие удобства при статистической обработке экспериментальных данных. Кроме этого, выбор такого ряда значений скоростей нагревания позволил максимально использовать возможности лентопротяжного механизма самопишущих приборов типа КСП-4, у которых есть переключатель скорости протяжки ленты 10:1.
Испытываемый образец нагревался проходящим по нему электрическим током большой плотности. Скорость нагревания регулировалась изменением напряжения на первичной обмотке специального понижающего трансформатора, в цепь вторичной обмотки которого включался испытываемый образец.
Для контроля постоянства скорости нагревания по заданой программе использовалась хромель-алюмелевая термопара с диаметром электродов 0,2 мм, концы которых стравливались до 0,08 мм. Спай термопары зачеканивался в середину рабочей части образца. Показания термопары регистрировались самопишущим потенциометром типа КСП-4.
Удлинение рабочей части образца измерялось с помощью специального экстензометра в виде охлаждаемой водой скобы с наклеенными на нее тензо-датчиками. Показания экстензометра регистрировались самопишущим потенциометром типа КСП-4 в комплекте со специальным балансировочным устройством. Чувствительность экстензометра составляла 76 мм диаграммы на 1% деформации образца, максимальная измеряемая деформация около 4%. Правильность показаний термопары в каждом случае контролировалась по линейному расширению образца как в изотермическом режиме, так и в процессе нагрева с заданной скоростью увеличения температуры (до температуры 150°С). В необходимых случаях вносились поправки, либо заменялась термопара.
Измерение и контроль нагрузки на образец осуществлялись с помощью протарированного гирями стержня с наклеенными на него тензодатчиками. Стержень располагался в цепи нагружения образца и фиксировал истинную нагрузку на образец. Показания динамометрического стержня регистрировались самопишущим прибором типа КСП-4. Чувствительность динамометрического стержня составляла 1,39 даН/мм диаграммы, максимальное измеряемое усилие 800 даН.
Основными исходными данными при испытаниях каждого образца на растяжение при нагревании с постоянной скоростью увеличения температуры являются зависимости температуры, полной деформации и нагрузки на образец от времени, которые регистрировались соответствующими самописцами.
В результате первичной обработки зависимостей температуры и деформации от времени, состоящей в точной синхронизации, получается зависимость полной деформации образца от температуры, так называемая „кривая быстрого нагревания". Полная деформация состоит из упругой, вязкопластической и деформации, обусловленной температурным расширением. Последняя с необходимой точностью определяется на ненагруженном образце заранее. По „кривой быстрого нагревания", соответствующей некоторому значению напряжения и скорости нагревания, графическим путем, аналогично определению условного предела текучести по диаграмме растяжения (а — е-диаграмме), определяется температура 7"0 2, при которой остаточная (вязкопластическая) деформация составляет 0,2%. Результаты такой обработки „кривых быстрого нагревания" испытанных образцов представлены в таблице. С другой стороны, величина напряжения, при котором получена соответствующая „кривая быстрого нагревания*^
может быть принята за условный предел текучести материала при температуре 7*0 2 и соответствующей скорости нагревания. Следует отметить, что при обработке экспериментальных данных, ввиду небольшого разброса, использовалась средняя величина площади поперечного сечения образца, принятая равной 15,62+0,06 мм2. Образцы с площадью поперечного сечения, выходящей за эти пределы, использовались для отработки режимов и пробных испытаний.
На фиг. 1 представлены зависимости Т02 от скорости нагревания при различных уровнях напряжения, а на фиг. 2—зависимость а02 от Т02 при различных скоростях нагревания. Нетрудно видеть, что зависимость Т0.г от ^ Т и о02 от Г02 весьма близки к линейным. Этот факт был также отмечен и в других работах, в частности, [1, 2]. Принимая это во внимание, введем поверхность Т02 (Т, о02) следующего вида:
Т0,2 = + Ко 18 Т + ра0 2 + 7аа2 Т, (1)
коэффициенты которой Ко, Р и ^ могут быть найдены методом наименьших квадратов из соответствующей системы нормальных уравнений.
Напря- 0,5°С/с 1,6°С/с 5,0°С/с 16,0°С/с 50,0°С/с
жение, даН/мма эксп. расчет эксп. расчет эксп. расчет эксп. расчет эксп. | расчет
3,5 390 391,7 406 405,7 423 419,6 433 433,6 447 447,5
6,6 368 367,0 380 379,9 396 392,8 403 405,8 — 418,7
9,7 340 342,3 352 354,2 367 366,0 376 377,9 388 389,8
13,4 — 3! 2,8 323 323,4 335 334,1 343 344,7 — 355,4
16,4 290 288,9 300 298,5 307 308,2 318 317,8 330 327,5
С целью упрощения дальнейших расчетов, а также придания большей общ ности ниже приведенным сотношениям, запишем уравнение (1) в декартовой системе координат в следующем виде:
г^а0 + к0х + $г+ -<хг, (2)
где замена а0 = Т^, X = ^ Г, К = а02, Z= Т02 очевидна.
1 в-3,5 даН/мм 2____—с
6,6 даН'?мм —"
<
13,Ч-даН/ммг____,
16,ШН/мм2__£
-теоретическая линия регрессии о экспериментальные данные
Скорость нагреВа, Рс/с Фиг. 1
Тогда система нормальных уравнений для определения коэффициентов поверхности регрессии примет вид
п п п п 1
1=1 1=1 ( = 1 1=1 п п п п п
ао 2 X х*+р 2 2 ^
г = 1 ¡ = 1 ¡ = 1 /=1 г=1 .„.
п п пп | V"'
(•=»1 ¡=1 ¡=1 /=1 п п п п
«о X ^ Кг+ Р 2 Х1 ъ + ?2 А = 2 21 Х> Г/-
г=1 г=1 (=1 г=1
Соответствующим выбором начала отсчета и масштабов по осям координат можно значительно упростить вычисления коэффициентов системы (3) и найти коэффициенты поверхности регрессии. В нашем случае уравнение поверхности регрессии имеет вид
Г02 = 428,69+30,26 ^Г — 8,17а02 — 0,669а02• ^ Т. (4)
Результаты расчета Г02 по уравнению (4) приведены в таблице. Среднее квадратичное отклонение экспериментальных точек (погрешность методики) от расчетной поверхности не превышает 1,80°С, что следует считать хорошим.
Таким образом, в исследованном диапазоне напряжений и скоростей нагревания по уравнению (4) можно определить Т02 по заданному значению о02 и скорости нагревания, либо наоборот.
ЛИТЕРАТУРА
l.Stowell E. Z. A phenomenological relation between stress, strain rate and temperatures for metals at elevated temperatures, NACA Rep. 1343, 1959.
2. S t о w e 11 E. Z. The properties of metals under rapid heating conditions „IAS", vol. 24, N 12, 1957.
Рукопись поступила 7/ VII 1977 г.
